Estructuras de los ácidos nucleicos

Presentación del tema: "Estructuras de los ácidos nucleicos"— Transcripción de la presentación:

1 Estructuras de los ácidos nucleicos
Tema 2. Estructuras de los ácidos nucleicos Watson, Crick y su modelo. DNA autografiado Watson y Crick con su modelo (estructura secundaria, en el espacio), 1953

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3 contenido • Estructura primaria: secuencia de nucleótidos
• Estructura secundaria: doble hélice • Estructura terciaria: superhélice • RNA: estructuras primaria, secundaria y terciaria • Palíndromos y estructuras cruciformes

4 Estructura primaria nucleótido
estructura primaria del DNA: secuencia de nucleótidos (uniones covalentes) Estructura primaria: Alexander Todd, PNobel de química 1957 (Brown y Todd 1952) Miescher, 1871: nucleína (después cromatina), ac nucleicos + proteínas (de leucocitos de la pus) Kossel, finales XIX: bases nitrogenadas (A, T, C), azúcar, histonas Levene: nucleósido, nucleótido y desoxirribosa. Teoría del tetranucleótido Chargaff, 1950: A=T, C=G

5 unidades del DNA: nucleótidos y sus componentes

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7 Figure 10-9a (a) Chemical structures of the pyrimidines and purines that serve as the nitrogenous bases in RNA and DNA. The nomenclature for numbering carbon and nitrogen atoms making up the two bases is shown within the structures that appear on the left. Web Tutorial 10.1DNA Structure

8 (b) Chemical ring structures of ribose and 2-deoxyribose, which serve as the pentose sugars in RNA and DNA, respectively. Web Tutorial 10.1DNA Structure C’ para distinguir de bases OH de ribosa hace al RNA más inestable y reactivo que el DNA C1’ unido a base; C5’ unido a fosfato; 3’OH implicado en enlace fosfodiester (polimerizacion)

9 Cargas negativas del fosfato confieren carga negativa del DNA
Cargas negativas del fosfato confieren carga negativa del DNA. Estas cargas negativas estabilizan la molécula, impidiendo ataques nucleofílicos y manteniendola dentro de membranas (porque las cargas negativas no atraviesan capas de lípidos)

10 Figure 10-10 Structures and names of the nucleosides and nucleotides of RNA and DNA (U y A).
Base a azúcar: enlace glucosídico con C1’ a N1 o N9

11 dNDP dNTP Figure Basic structures of nucleoside diphosphates and triphosphates, as illustrated by deoxythymidine diphosphate and deoxyadenosine triphosphate

12 nucleótidos

13 Nucleósidos trifosfatos, estado libre en la célula
Nucleósidos trifosfatos, estado libre en la célula. Molécula con energía de los enlaces de los grupos fosfatos, que se utiliza en la polimerización de nucleótidos

14 Figure 10-12a (a) Linkage of two nucleotides by the formation of a – phosphodiester bond, producing a dinucleotide. Energía para el enlace fosfodiester suministrada por los grupos fosfatos del nucleósido trifosfato

15 Enlace fosfodiester: - crecimiento cadena 5’ -> 3’ - cadenas largas, sin restricciones en la secuencia de bases (ej: tripletes VR4,3 = 4E3) - enlace covalente, estable, que se puede romper por hidrólisis química o enzimática y genera nucleótidos - grupo O- del fosfato confiere estabilidad al DNA, evitando ataques nucleofílicos y hace que se mantenga el DNA dentro de membranas (compuestos negativos insolubles en lípidos) -> DNA cargado negativamente!

16 Figure 10-12b (b) Shorthand notation for a polynucleotide chain.

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18 Estructura secundaria
Estructura del DNA en el espacio, Watson y Crick 1953 (PNobel 1962): doble hélice con simetría doble (dos cadenas, antiparalelas, y complementarias) Previo: Química: estructura primaria, rayos X, Chargaff, formas tautoméricas adecuadas de las bases, complementariedad (Pauling y Delbruck) Biología: el DNA es el portador de la info genetica (hereditaria), no las proteinas (Averyy col. 1944)

19 Table 10.3 DNA Base Composition Data: relaciones de Chargaff, 1950
A=T y G=C -> puricas/pirimidinicas = 1 => Rechazo a la teoria del tetranucleótido de Levene Ox: buey Spleen: bazo Euglena: alga unicelular? Sarcina lutea: micrococo

20 difracción de rayos X 10.6 X-ray diffraction provides information about the structures of molecules. [Photograph from M. H. F. Wilkins, Department of Biophysics, King’s College, University of London.] Muestra: ‘material’ cristalizado (proteína, DNA, …) Lead screen: pantalla de plomo Detector: película fotográfica

21 imagen del DNA obtenida por difracción de rayos X, y su autora
X-ray diffraction photograph of the B form of purified DNA fibers. The strong arcs on the periphery show closely spaced aspects of the molecule, providing an estimate of the periodicity of nitrogenous bases, which are 3.4 Å apart. The inner cross pattern of spots shows the grosser aspect of the molecule, indicating its helical nature.

22 L. Pauling modelo teórico (no es el real) de triple hélice para el DNA, de L. Pauling L. Pauling, PNobel 1954 por alfa-hélice de proteínas

23 posibles emparejamientos de bases

24 puentes de H entre A-T y G-C (2 y 3)
Es más estable termodinámicamente una molécula de DNA cuanto más contenido en GC posea

25 estructura secundaria del DNA: doble hélice complementaria y antiparalela (Watson y Crick)
- Esqueleto azúcar-fosfato en el exterior, con el P en la parte externa - Bases emparejadas en el interior de la molécula, perpendiculares al eje de la hélice (o casi perpendiculares, 6º de inclinación), como peldaños de una escalera B. Fuerzas de la doble hélice: Puentes de H (enlaces débiles, 3% de fuerza del enlace covalente) apilamiento de bases, repelen el agua (igual que platos) cargas del fosfato (P-)

26 estructura química de la doble hélice de DNA: pares de bases
estructura química de la doble hélice de DNA: pares de bases. Cadenas antiparalelas y complementarias estructura química del RNA: una única cadena de polinucleótidos

27 Al girar una cadena sobre la otra, el apilamineto de bases desviadas del eje en la doble hélice genera surcos en los esqueletos azúcar-fosfato: Surco mayor (2,2 nm) y surco menor (1,2 nm)

28 complementarias y antiparalelas

29 dimensiones de la doble hélice dimensiones de la doble hélice de DNA
- se determinan en las imágenes de rayos X: estructura ‘helicoidal y simétrica’ con 10pb/vuelta(360º) que son 3,4 nm (10 pb como media de 13,1 y 8,6) y otros estudios físicos: 300 veces mas largas que anchas, lo que implica un diametro de aprox. 2 nm inclinación de las bases con respecto al eje longitudinal de la molécula son 6º Surco mayor (2,2 nm) y surco menor (1,2 nm)

30 estructura secundaria en el espacio (A) y en el plano (B) del DNA-B

31 The DNA double helix as proposed by Watson and Crick
The DNA double helix as proposed by Watson and Crick. The ribbon like strands constitute the sugar-phosphate backbones, and the horizontal rungs constitute the nitrogenous base pairs, of which there are 10 per complete turn. The major and minor grooves are apparent. The solid vertical bar represents the central axis. (b) A detailed view depicting the bases, sugars, phosphates, and hydrogen bonds of the helix. (c) A demonstration of the antiparallel nature of the helix and the horizontal stacking of the bases.

32 X Figure The right- and left-handed helical forms of DNA. Note that they are mirror images of one another. DNA: - hélice dextrógira (bajando el eje en sentido de las agujas del reloj) ej: rosca de tornillo o bajando una escalera de caracol, la mano derecha en el pasamanos interior -las vueltas al bajar la escalera son hacia la derecha- como edificio biología. Idem up-dowm que al invertir el tornillo

33 Figure 10-15 The right- and left-handed helical forms of DNA
Figure The right- and left-handed helical forms of DNA. Note that they are mirror images of one another. DNA: hélice dextrógira (bajando una escalera de caracol, la mano derecha en el pasamanos interior -las vueltas son hacia la derecha-, o rosca de tornillo, o sentido de las agujas del reloj)

34 modelo para la replicación (copia) del DNA: ambas cadenas son molde para las que se sintetizan!
Requisitos para el material genético (DNA): Portador de información (VR4,X = 4EX!) -> no hay restricción en secuencia de nucleótidos! Autoperpetuación = replicación = copia (con cambios a una tasa baja y determinada, por fallos en el mecanismo) -> por complementariedad! 3. Expresión de la información (del genotipo al fenotipo) -> Crick: ‘dogma central de la biología molecular’ (flujo de información DNA -> RNA -> proteínas)

35 dogma central de la Biología Molecular, F. Crick 1958
Dogma central de la BiolMol propuesto por Crick en 1958 (y Nature 1970) Existen excepciones a este flujo de información, por ej: RNA -> DNA: transcripcion inversa (retrovirus y transposones) RNA -> RNA: replicación del RNA (virus)

36 Trabajo de W-C 1953

37 Computer-generated space-filling models of B-DNA, A-DNA, and Z-DNA (right). Below is an artist’s depiction illustrating the orientation of the base pairs of B-DNA and A-DNA. (Note that in B-DNA the base pairs are perpendicular to the helix, while they are tilted and pulled away from the helix in A-DNA.) DNA B, A y Z longitudinal y transversal También existen formas: C, D, E y triples y cuádruples hélices!! DNA-B en disolución, el resto de formas al deshidratarse (aumento de sal en el medio)

38 B: 92% agua; 10 pb/vuelta; 6º eje y bases; diámetro 2 nm
A: 75% agua; más compacta (11 pb por vuelta), eje a bases 20º y desplazadas; diámetro 2,3 nm. **RNA 2c sólo puede formar A y no B!!, porque el OH de la ribosa le supone un impedimento estérico

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40 Variaciones en regiones de la molécula debido al ambiente (para Z: alta concentración salina -20X de las biológicas) o secuencias especiales (C con grupos metilos unidos -CH3, secuencias repetidas G-C estructura en Z)

41 Estructura terciaria superhélice
Estructura terciaria del DNA: superhélices Cuando el eje de la doble hélice gira sobre sí mismo (pasa del plano al espacio) superhélice

42 L: índice de enlace = nº de vueltas de una cadena sobre la otra
L: índice de enlace = nº de vueltas de una cadena sobre la otra. Lo: índice relajado (estructura Watson y Crick, 10 pb/vuelta) W: retorcimiento = L-Lo -> suele ser un número negativo (superenrollamiento negativo = SE negativo) Ej: molécula de 100 pb -> Lo=10 y si sólo tenemos un L=8, tenemos un W de -2 y se genera SE negativo

43 Superenrollamiento positivo
Superenrollamiento negativo SE- da una superhélice trenza dextrorsa -> así cromosomas de bacterias, plásmidos y virus SE+ da una superhélice sinistrorsa (solenoide sinistrorso es la estructura de los nucleosomas eucarióticos) superhélice sinistrorsa trenza dextrorsa

44 DNA circular: superenrollado y relajado

45 superhélice solenoide
Compactación del DNA en la célula debida al SE (por defecto de vueltas) y la unión con proteínas (esto ya es estructura cuaternaria, tema 4) - solenoide sinestroso: en eucariotas (= nucleosoma) - trenza detrosa: superhélice en bacterias, virus, plásmidos, cloroplastos y mitocondrias ADN / núcleo célula humana son 2 m y el núcleo mide aprox. 10 micras ( veces más pequeño)

46 1. SE- representa acumulación de energía en la molécula de DNA para los procesos de replicación y transcripción 2. la RNA polimerasa y la maquinaria de replicación introducen SE- en la zona del DNA posterior a su paso y se acumula SE+ en la zona delantera 3. Topoisomerasas: regulan el SE del cromosoma. Ej: ‘girasa’ introduce SE- y ‘topo I’ lo elimina

47 RNA estructura secundaria del RNA: horquilla y tallo-lazo

48 tRNA: estructura primaria (D), secundaria (A) y terciaria (B y C, dos angulos)

49 estructura tridimensional (terciaria) de un tRNA

50 DNA: palíndromos y estructuras cruciformes ‘la ruta natural’
secuencia parcialmente palindrómica (repeticiones invertidas -sombreado gris-) y formación de una estructura cruciforme (estructura secundaria de DNA) Palindromo: ‘dabale arroz a la zorra el abad’ ‘la ruta natural’ ‘reconocer’ ‘Adán no cede con Eva, y Yavé no cede con nada’

51 problemas capítulo 1 problemas: 1-13
aprox. 1h de clase: 23-octubre-2009